JP7815876B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本開示は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。 This disclosure relates to a semiconductor device and a method for manufacturing a semiconductor device.
窒化物半導体を用いた半導体装置の一つとして、寄生抵抗及び電流コラプスの低減等のためにバリア層に形成した凹部内にゲート電極を設けた高電子移動度トランジスタ(high electron mobility transistor:HEMT)が知られている。また、凹部の形成を、エッチングダメージの低減のために、ドライエッチングではなく光電気化学(photoelectrochemical:PEC)エッチングにより行う方法が知られている。 One known semiconductor device using nitride semiconductors is the high electron mobility transistor (HEMT), which has a gate electrode located in a recess formed in the barrier layer to reduce parasitic resistance and current collapse. Furthermore, a method is known in which the recess is formed by photoelectrochemical (PEC) etching rather than dry etching to reduce etching damage.
PECエッチングによりリセスを形成する場合、PECエッチングの進行に伴って、凹部の下方でチャネル層内の2次元電子ガス(two-dimensional gas:2DEG)が減少していく。そして、2DEGが枯渇すると、PECエッチングが停止する。このため、凹部の下方に残存するバリア層の厚さを調整することできず、トランジスタの閾値電圧を調整できない。例えば、従来の方法では、トランジスタは必然的にノーマリオフ動作することになる。 When forming a recess by PEC etching, the two-dimensional electron gas (2DEG) in the channel layer below the recess decreases as the PEC etching progresses. When the 2DEG is depleted, the PEC etching stops. As a result, it is not possible to adjust the thickness of the barrier layer remaining below the recess, and the transistor's threshold voltage cannot be adjusted. For example, with conventional methods, the transistor inevitably operates in a normally-off mode.
本開示は、トランジスタの閾値電圧を調整しやすくできる半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 The present disclosure aims to provide a semiconductor device and a method for manufacturing a semiconductor device that makes it easy to adjust the threshold voltage of a transistor.
本開示の半導体装置は、基板と、前記基板の上に設けられた半導体層と、前記半導体層にオーミック接触するソース電極及びドレイン電極と、前記半導体層の前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の部分を覆い、開口が形成された絶縁膜と、前記開口を通じて前記半導体層に接触するゲート電極と、を有し、前記半導体層は、第1チャネル層と、前記第1チャネル層の上に設けられ、第1バンドギャップを備えた第1バリア層と、前記第1バリア層の上に設けられた第2チャネル層と、前記第2チャネル層の上に設けられ、前記第1バンドギャップよりも小さい第2バンドギャップを備えた第2バリア層と、を有し、前記第2バリア層に第1凹部が形成されており、前記ゲート電極は、前記開口を通じて前記第1凹部の底面に接触し、前記ゲート電極に電圧が印加されていない時、前記第1凹部の前記底面よりも前記基板側において、前記第1チャネル層内に2次元電子ガスが存在し、前記第2チャネル層内に2元電子ガスが存在しない。
a gate electrode in contact with the semiconductor layer through the opening; a first channel layer; a first barrier layer provided on the first channel layer and having a first band gap; a second channel layer provided on the first barrier layer; and a second barrier layer provided on the second channel layer and having a second band gap smaller than the first band gap; a first recess formed in the second barrier layer; and a gate electrode in contact with the semiconductor layer through the opening . When no voltage is applied to the gate electrode, a two-dimensional electron gas exists in the first channel layer on the substrate side of the bottom surface of the first recess, while a binary electron gas does not exist in the second channel layer .
本開示によれば、トランジスタの閾値電圧を調整しやすくできる。 This disclosure makes it easier to adjust the threshold voltage of a transistor.
[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
Description of the embodiments of the present disclosure
First, embodiments of the present disclosure will be listed and described.
〔1〕 本開示の一態様に係る半導体装置は、基板と、前記基板の上に設けられた半導体層と、前記半導体層にオーミック接触するソース電極及びドレイン電極と、前記半導体層の前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の部分を覆い、開口が形成された絶縁膜と、前記開口を通じて前記半導体層に接触するゲート電極と、を有し、前記半導体層は、第1チャネル層と、前記第1チャネル層の上に設けられ、第1バンドギャップを備えた第1バリア層と、前記第1バリア層の上に設けられた第2チャネル層と、前記第2チャネル層の上に設けられ、前記第1バンドギャップよりも小さい第2バンドギャップを備えた第2バリア層と、を有し、前記第2バリア層に第1凹部が形成されており、前記ゲート電極は、前記開口を通じて前記第1凹部の底面に接触する。 [1] A semiconductor device according to one aspect of the present disclosure includes a substrate, a semiconductor layer provided on the substrate, a source electrode and a drain electrode in ohmic contact with the semiconductor layer, an insulating film covering a portion of the semiconductor layer between the source electrode and the drain electrode and having an opening formed therein, and a gate electrode in contact with the semiconductor layer through the opening, wherein the semiconductor layer includes a first channel layer, a first barrier layer provided on the first channel layer and having a first band gap, a second channel layer provided on the first barrier layer, and a second barrier layer provided on the second channel layer and having a second band gap smaller than the first band gap, a first recess formed in the second barrier layer, and the gate electrode contacts the bottom surface of the first recess through the opening.
第2バリア層の第2バンドギャップが第1バリア層の第1バンドギャップよりも小さい。このため、第1凹部を光電気化学エッチングにより形成する際に、第1バンドギャップよりも小さく、第2バンドギャップよりも大きいエネルギを有する光を第2バリア層に照射することで、第1バリア層の厚さを変化させることなく、第1凹部を形成できる。光電気化学エッチングによっては第1バリア層の厚さが変化しないため、第1バリア層の厚さを調整することで、トランジスタの閾値電圧を調整しやすくできる。 The second band gap of the second barrier layer is smaller than the first band gap of the first barrier layer. Therefore, when forming the first recess by photoelectrochemical etching, the first recess can be formed without changing the thickness of the first barrier layer by irradiating the second barrier layer with light having energy smaller than the first band gap but greater than the second band gap. Because the thickness of the first barrier layer does not change due to photoelectrochemical etching, adjusting the thickness of the first barrier layer makes it easier to adjust the threshold voltage of the transistor.
〔2〕 〔1〕において、前記第1バリア層は、第1濃度でAlを含有する第1窒化物半導体層であり、前記第2バリア層は、前記第1濃度よりも低い第2濃度でAlを含有する第2窒化物半導体層であってもよい。この場合、第2バリア層の第2バンドギャップを第1バリア層の第1バンドギャップよりも小さくしやすい。 [2] In [1], the first barrier layer may be a first nitride semiconductor layer containing Al at a first concentration, and the second barrier layer may be a second nitride semiconductor layer containing Al at a second concentration lower than the first concentration. In this case, the second band gap of the second barrier layer is easily made smaller than the first band gap of the first barrier layer.
〔3〕 〔1〕又は〔2〕において、前記ゲート電極に電圧が印加されていない時、前記第1凹部の前記底面よりも前記基板側において、前記第1チャネル層内に2次元電子ガスが存在し、前記第2チャネル層内に2元電子ガスが存在しなくてもよい。この場合、ノーマリオン動作を実現できる。 [3] In [1] or [2], when no voltage is applied to the gate electrode, two-dimensional electron gas may be present in the first channel layer on the substrate side of the bottom surface of the first recess, and binary electron gas may not be present in the second channel layer. In this case, normally-on operation can be achieved.
〔4〕 〔1〕~〔3〕において、前記開口の内壁面の下端は、前記第1凹部の内壁面の上端に連続してもよい。この場合、寄生抵抗及び電流コラプスを抑制しやすい。 [4] In [1] to [3], the lower end of the inner wall surface of the opening may be continuous with the upper end of the inner wall surface of the first recess. In this case, parasitic resistance and current collapse are easily suppressed.
〔5〕 〔1〕~〔3〕において、前記開口の内壁面は、前記第1凹部の内壁面の内側にあってもよい。この場合、ゲート電極の周囲の寄生容量を低減しやすい。 [5] In [1] to [3], the inner wall surface of the opening may be located inside the inner wall surface of the first recess. In this case, it is easy to reduce parasitic capacitance around the gate electrode.
〔6〕 〔1〕~〔5〕において、前記半導体層に、前記ソース電極の前記基板側に第2凹部が形成され、前記ドレイン電極の前記基板側に第3凹部が形成され、前記第2凹部及び前記第3凹部は前記第1チャネル層に達し、前記半導体層は、前記第2凹部内に形成され、前記第1チャネル層、前記第1バリア層、前記第2チャネル層及び前記第2バリア層よりも電気抵抗が低いソース領域と、前記第3凹部内に形成され、前記第1チャネル層、前記第1バリア層、前記第2チャネル層及び前記第2バリア層よりも電気抵抗が低いドレイン領域と、を有し、前記ソース電極は前記ソース領域に接触し、前記ドレイン電極は前記ドレイン領域に接触してもよい。この場合、ソース電極とドレイン電極との間の電気抵抗を低減しやすい。 [6] In any of [1] to [5], a second recess is formed in the semiconductor layer on the substrate side of the source electrode, and a third recess is formed on the substrate side of the drain electrode, the second recess and the third recess reaching the first channel layer, the semiconductor layer having a source region formed in the second recess and having a lower electrical resistance than the first channel layer, the first barrier layer, the second channel layer, and the second barrier layer, and a drain region formed in the third recess and having a lower electrical resistance than the first channel layer, the first barrier layer, the second channel layer, and the second barrier layer, the source electrode may be in contact with the source region, and the drain electrode may be in contact with the drain region. In this case, it is easy to reduce the electrical resistance between the source electrode and the drain electrode.
〔7〕 本開示の他の一態様に係る半導体装置の製造方法は、基板の上に半導体層を形成する工程と、前記半導体層にオーミック接触するソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、前記半導体層の前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の部分を覆う絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に開口を形成する工程と、前記開口を通じて前記半導体層に接触するゲート電極を形成する工程と、を有し、前記半導体層を形成する工程は、第1チャネル層を形成する工程と、前記第1チャネル層の上に第1バンドギャップを備えた第1バリア層を形成する工程と、前記第1バリア層の上に第2チャネル層を形成する工程と、前記第2チャネル層の上に前記第1バンドギャップよりも小さい第2バンドギャップを備えた第2バリア層を形成する工程と、前記第1バンドギャップよりも小さく、前記第2バンドギャップよりも大きいエネルギを有する光を前記半導体層に照射しながら、光電気化学エッチングにより前記第2バリア層に第1凹部を形成する工程と、を有し、前記ゲート電極は、前記開口を通じて前記第1凹部の底面に接触するように形成される。 [7] A method for manufacturing a semiconductor device according to another aspect of the present disclosure includes the steps of: forming a semiconductor layer on a substrate; forming a source electrode and a drain electrode in ohmic contact with the semiconductor layer; forming an insulating film covering a portion of the semiconductor layer between the source electrode and the drain electrode; forming an opening in the insulating film; and forming a gate electrode in contact with the semiconductor layer through the opening. The step of forming the semiconductor layer includes the steps of: forming a first channel layer; forming a first barrier layer having a first band gap on the first channel layer; forming a second channel layer on the first barrier layer; forming a second barrier layer having a second band gap smaller than the first band gap on the second channel layer; and forming a first recess in the second barrier layer by photoelectrochemical etching while irradiating the semiconductor layer with light having energy smaller than the first band gap and greater than the second band gap. The gate electrode is formed so as to contact the bottom surface of the first recess through the opening.
光電気化学エッチングの際に、第1バンドギャップよりも小さく、第2バンドギャップよりも大きいエネルギを有する光を第2バリア層に照射するため、第1バリア層の厚さを変化させることなく、第1凹部を形成できる。光電気化学エッチングによっては第1バリア層の厚さが変化しないため、第1バリア層の厚さを調整することで、トランジスタの閾値電圧を調整しやすくできる。 During photoelectrochemical etching, the second barrier layer is irradiated with light having energy smaller than the first bandgap and larger than the second bandgap, so the first recess can be formed without changing the thickness of the first barrier layer. Because the thickness of the first barrier layer does not change during photoelectrochemical etching, adjusting the thickness of the first barrier layer makes it easier to adjust the threshold voltage of the transistor.
[本開示の実施形態の詳細]
以下、本開示の実施形態について詳細に説明するが、本開示はこれらに限定されるものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。
[Details of the embodiment of the present disclosure]
Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail, but the present disclosure is not limited thereto. In this specification and drawings, components having substantially the same functional configurations may be designated by the same reference numerals to avoid redundant description.
(第1実施形態)
第1実施形態は、窒化物半導体を主構成材料とするGaN系高電子移動度トランジスタ(high electron mobility transistor:HEMT)を含む半導体装置に関する。図1は、第1実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
(First embodiment)
The first embodiment relates to a semiconductor device including a GaN-based high electron mobility transistor (HEMT) whose main constituent material is a nitride semiconductor. Fig. 1 is a cross-sectional view showing the semiconductor device according to the first embodiment.
第1実施形態に係る半導体装置100は、図1に示すように、基板10と、基板10の上に設けられた複数の半導体層の積層構造20とを有する。例えば、基板10は、上面が(0001)面のSiC基板であり、積層構造20の積層方向は[0001]方向である。積層構造20は、基板10側から順に形成された第1チャネル層21と、第1バリア層22と、第2チャネル層23と、第2バリア層24とを含む。積層構造20は半導体層の一例である。積層構造20が、基板10と第1チャネル層21との間に設けられたバッファ層を有してもよく、第2バリア層24の上に設けられたキャップ層を有してもよい。 As shown in FIG. 1, the semiconductor device 100 according to the first embodiment includes a substrate 10 and a stacked structure 20 of multiple semiconductor layers disposed on the substrate 10. For example, the substrate 10 is a SiC substrate with a (0001) plane on its upper surface, and the stacking direction of the stacked structure 20 is the [0001] direction. The stacked structure 20 includes, formed in this order from the substrate 10 side, a first channel layer 21, a first barrier layer 22, a second channel layer 23, and a second barrier layer 24. The stacked structure 20 is an example of a semiconductor layer. The stacked structure 20 may include a buffer layer disposed between the substrate 10 and the first channel layer 21, and may include a cap layer disposed on the second barrier layer 24.
第1チャネル層21は、例えば厚さが10nm以上かつ500nm以下のアンドープGaN層である。第1バリア層22は、例えば厚さ5nm以上かつ30nm以下のn型AlxGa1-xN層である。第2チャネル層23は、例えば厚さが5nm以上かつ10nm以下のアンドープGaN層である。第2バリア層24は、例えば厚さ5nm以上かつ30nm以下のn型AlyGa1-yN層である。第1チャネル層21の一部がバッファ層であってもよい。第1バリア層22は第1バンドギャップEg1を有し、第2バリア層24は第2バンドギャップEg2を有する。yの値はxの値よりも小さい。第2バンドギャップEg2は第1バンドギャップよりEg1も小さい。例えば、xの値は0.32であり、yの値は0.28である。この場合、第1バンドギャップEg1は4.05eVであり、第2バンドギャップEg2は3.97eVである。第1バリア層22及び第2バリア層24に含まれるn型不純物は、例えばSi又はGeである。第1バンドギャップEg1及び第2バンドギャップEg2は、第1チャネル層21のバンドギャップ及び第2チャネル層23のバンドギャップよりも大きい。n型AlxGa1-xN層は第1窒化物半導体層の一例であり、n型AlyGa1-yN層は第2窒化物半導体層の一例である。 The first channel layer 21 is, for example, an undoped GaN layer having a thickness of 10 nm or more and 500 nm or less. The first barrier layer 22 is, for example, an n-type Al x Ga 1-x N layer having a thickness of 5 nm or more and 30 nm or less. The second channel layer 23 is, for example, an undoped GaN layer having a thickness of 5 nm or more and 10 nm or less. The second barrier layer 24 is, for example, an n-type Al y Ga 1-y N layer having a thickness of 5 nm or more and 30 nm or less. A portion of the first channel layer 21 may be a buffer layer. The first barrier layer 22 has a first band gap Eg1, and the second barrier layer 24 has a second band gap Eg2. The value of y is smaller than the value of x. The second band gap Eg2 is smaller than the first band gap by Eg1. For example, the value of x is 0.32, and the value of y is 0.28. In this case, the first band gap Eg1 is 4.05 eV, and the second band gap Eg2 is 3.97 eV. The n-type impurities contained in the first barrier layer 22 and the second barrier layer 24 are, for example, Si or Ge. The first band gap Eg1 and the second band gap Eg2 are larger than the band gap of the first channel layer 21 and the band gap of the second channel layer 23. The n-type Al x Ga 1-x N layer is an example of a first nitride semiconductor layer, and the n-type Al y Ga 1-y N layer is an example of a second nitride semiconductor layer.
半導体装置100は、積層構造20の上に設けられたソース電極31及びドレイン電極32を有する。ソース電極31及びドレイン電極32は、例えばTa膜と、その上のAl膜とを含む。半導体装置100は、積層構造20のソース電極31とドレイン電極32との間の部分を覆う絶縁膜60を有する。絶縁膜60は積層構造20の上に形成されている。絶縁膜60に、ソース用の開口61と、ドレイン用の開口62とが形成されている。ソース用の開口61の内側にソース電極31が設けられ、ドレイン用の開口62の内側にドレイン電極32が設けられている。絶縁膜60は、例えばSi窒化膜である。絶縁膜60に、ソース電極31とドレイン電極32との間において、ゲート用の開口50が形成されている。開口50は内壁面52を有する。 The semiconductor device 100 has a source electrode 31 and a drain electrode 32 provided on a stacked structure 20. The source electrode 31 and the drain electrode 32 include, for example, a Ta film and an Al film thereon. The semiconductor device 100 has an insulating film 60 that covers the portion of the stacked structure 20 between the source electrode 31 and the drain electrode 32. The insulating film 60 is formed on the stacked structure 20. A source opening 61 and a drain opening 62 are formed in the insulating film 60. The source electrode 31 is provided inside the source opening 61, and the drain electrode 32 is provided inside the drain opening 62. The insulating film 60 is, for example, a silicon nitride film. A gate opening 50 is formed in the insulating film 60 between the source electrode 31 and the drain electrode 32. The opening 50 has an inner wall surface 52.
第2バリア層24に凹部40が形成されている。凹部40は、底面41と、内壁面42とを有する。開口50の内壁面52の下端は、凹部40の内壁面42の上端に連続する。底面41は、第2チャネル層23と第2バリア層24との界面よりも上側(基板10から離れる側)にある。凹部40は第1凹部の一例である。 A recess 40 is formed in the second barrier layer 24. The recess 40 has a bottom surface 41 and an inner wall surface 42. The lower end of the inner wall surface 52 of the opening 50 is continuous with the upper end of the inner wall surface 42 of the recess 40. The bottom surface 41 is located above (away from) the interface between the second channel layer 23 and the second barrier layer 24. The recess 40 is an example of a first recess.
半導体装置100は、開口50を通じて積層構造20に接触するゲート電極33を有する。ゲート電極33は、凹部40内にも設けられており、凹部40の底面41及び内壁面42に接触する。ゲート電極33は、例えばNi膜と、その上のAu膜とを含む。ゲート電極33は、例えば断面視でTの字型の形状を備え、絶縁膜60上の部分を含む。 The semiconductor device 100 has a gate electrode 33 that contacts the stacked structure 20 through the opening 50. The gate electrode 33 is also provided within the recess 40, and contacts the bottom surface 41 and inner wall surface 42 of the recess 40. The gate electrode 33 includes, for example, a Ni film and an Au film thereon. The gate electrode 33 has, for example, a T-shape in cross section, and includes a portion above the insulating film 60.
半導体装置100では、第1チャネル層21の上面の近傍に2DEG71が存在する。また、第2チャネル層23の上面の近傍に2DEG72が存在する。ただし、凹部40の底面41よりも基板10側では、ゲート電極33に電圧が印加されていない時、2DEG71は第1チャネル層21内に存在するが、2DEG72は第2チャネル層23内に存在しない。 In the semiconductor device 100, 2DEG 71 exists near the top surface of the first channel layer 21. Also, 2DEG 72 exists near the top surface of the second channel layer 23. However, on the substrate 10 side of the bottom surface 41 of the recess 40, when no voltage is applied to the gate electrode 33, 2DEG 71 exists in the first channel layer 21, but 2DEG 72 does not exist in the second channel layer 23.
次に、第1実施形態に係る半導体装置100の製造方法について説明する。図2~図7は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device 100 according to the first embodiment will be described. Figures 2 to 7 are cross-sectional views showing the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment.
まず、図2に示すように、基板10上に、第1チャネル層21、第1バリア層22、第2チャネル層23、第2バリア層24を含む積層構造20を形成する。積層構造20は、例えば有機金属気相成長(metal organic chemical vapor deposition:MOCVD)法により形成する。 First, as shown in FIG. 2, a layered structure 20 including a first channel layer 21, a first barrier layer 22, a second channel layer 23, and a second barrier layer 24 is formed on a substrate 10. The layered structure 20 is formed, for example, by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD).
次に、図3に示すように、積層構造20の上に絶縁膜60を形成する。 Next, as shown in Figure 3, an insulating film 60 is formed on the layered structure 20.
次に、図4に示すように、絶縁膜60に、ソース用の開口61と、ドレイン用の開口62とを形成する。開口61及び62の形成では、例えば電子線レジスト(図示せず)をマスクとして、反応性イオンエッチング(reactive ion etching:RIE)を行う。絶縁膜60のエッチングにはフッ素(F)を含む反応性ガスが用いられる。開口61及び62の形成後、マスクを除去する。 Next, as shown in FIG. 4, an opening 61 for the source and an opening 62 for the drain are formed in the insulating film 60. To form the openings 61 and 62, reactive ion etching (RIE) is performed using, for example, an electron beam resist (not shown) as a mask. A reactive gas containing fluorine (F) is used to etch the insulating film 60. After the openings 61 and 62 are formed, the mask is removed.
次に、開口61の内側にソース電極31を形成し、開口62の内側にドレイン電極32を形成する。ソース電極31及びドレイン電極32は、例えば蒸着、リフトオフ及び合金化熱処理により形成できる。ソース電極31及びドレイン電極32は、例えばTa膜と、その上のAl膜とを含む。ソース電極31及びドレイン電極32は、それぞれ積層構造20にオーミック接触する。 Next, the source electrode 31 is formed inside the opening 61, and the drain electrode 32 is formed inside the opening 62. The source electrode 31 and the drain electrode 32 can be formed, for example, by vapor deposition, lift-off, and alloying heat treatment. The source electrode 31 and the drain electrode 32 include, for example, a Ta film and an Al film thereon. The source electrode 31 and the drain electrode 32 each make ohmic contact with the stacked structure 20.
次に、図5に示すように、絶縁膜60にゲート用の開口50を形成する。開口50の形成では、例えば電子線レジスト(図示せず)をマスクとして、RIEを行う。絶縁膜60のエッチングにはFを含む反応性ガスが用いられる。開口50の形成後、マスクを除去する。 Next, as shown in FIG. 5, an opening 50 for a gate is formed in the insulating film 60. To form the opening 50, for example, RIE is performed using an electron beam resist (not shown) as a mask. A reactive gas containing F is used to etch the insulating film 60. After the opening 50 is formed, the mask is removed.
次に、図6に示すように、開口50が形成された絶縁膜60をマスクとして用いながら、PECエッチングにより第2バリア層24に凹部40を形成する。PECエッチングでは、エッチング液として、例えば、水酸化カリウム(KOH)水溶液とペルオキソ二硫酸カリウム(K2S2O8)水溶液とを混合した溶液が用いられる。この溶液は、水酸化物イオン(OH-)と、ペルオキソ二硫酸イオン(S2O8 2-)とを含む。また、第1バリア層22の第1バンドギャップEg1よりも小さく、第2バリア層24の第2バンドギャップEg2よりも大きなエネルギを有する光、例えば紫外光が積層構造20に照射される。例えば、第1バンドギャップEg1が4.05eVであり、第2バンドギャップEg2が3.97eVである場合、波長が310nmの極端紫外光が照射される。波長が310nmの極端紫外光のエネルギEUVは4.01eVである。 Next, as shown in FIG. 6 , using the insulating film 60 with the opening 50 formed therein as a mask, a recess 40 is formed in the second barrier layer 24 by PEC etching. In the PEC etching, for example, a solution obtained by mixing an aqueous solution of potassium hydroxide (KOH) and an aqueous solution of potassium peroxodisulfate (K 2 S 2 O 8 ) is used as an etching solution. This solution contains hydroxide ions (OH − ) and peroxodisulfate ions (S 2 O 8 2− ). Furthermore, the stacked structure 20 is irradiated with light, such as ultraviolet light, having energy smaller than the first band gap Eg1 of the first barrier layer 22 and larger than the second band gap Eg2 of the second barrier layer 24. For example, when the first band gap Eg1 is 4.05 eV and the second band gap Eg2 is 3.97 eV, extreme ultraviolet light with a wavelength of 310 nm is irradiated. The energy E UV of extreme ultraviolet light with a wavelength of 310 nm is 4.01 eV.
ここで、本実施形態におけるPECエッチングの進行の様子について説明する。図8~図9は、第1チャネル層21、第1バリア層22、第2チャネル層23及び第2バリア層24のバンド構造を示す図である。図8~図9には、図6中の一点鎖線Aに沿ったバンド構造を示す。図8~図9中のEFはフェルミ準位を示す。 Here, the progress of PEC etching in this embodiment will be described. Figures 8 to 9 are diagrams showing the band structures of the first channel layer 21, the first barrier layer 22, the second channel layer 23, and the second barrier layer 24. Figures 8 to 9 show the band structures along the dashed line A in Figure 6. E and F in Figures 8 to 9 indicate the Fermi levels.
PECエッチングが開始された直後では、図8に示すように、ゲート用の開口50の基板10側において、第1チャネル層21内に2DEG71が存在し、第2チャネル層23内に2DEG72が存在する。また、紫外光65が第2バリア層24に入射すると、第2バンドギャップEg2が紫外光65のエネルギEUVよりも小さいため、第2バリア層24が紫外光65を吸収し、第2バリア層24に電子-正孔対が生じるとともに、第2バリア層24が分解される。この時、正孔は第2バリア層24の表面にて消費される。また、電子は2DEG72に流入し、その後、ソース電極31又はドレイン電極32に到達し、ソース電極31又はドレイン電極32の表面にて消費される。 Immediately after the start of PEC etching, as shown in FIG. 8 , on the substrate 10 side of the gate opening 50, a 2DEG 71 exists in the first channel layer 21, and a 2DEG 72 exists in the second channel layer 23. When ultraviolet light 65 is incident on the second barrier layer 24, the second band gap Eg2 is smaller than the energy E UV of the ultraviolet light 65, so the second barrier layer 24 absorbs the ultraviolet light 65, generating electron-hole pairs in the second barrier layer 24 and decomposing the second barrier layer 24. At this time, the holes are consumed at the surface of the second barrier layer 24. Electrons flow into the 2DEG 72, then reach the source electrode 31 or the drain electrode 32, and are consumed at the surface of the source electrode 31 or the drain electrode 32.
その後、PECエッチングの進行に伴って凹部40が深くなる。凹部40が深くなると、第2バリア層24の、凹部40の底面41よりも基板10側の部分が薄くなっていき、凹部40の底面41よりも基板10側において2DEG72が減少していく。この部分の厚さが、ある特定の厚さに到達すると、凹部40の底面41よりも基板10側において第2チャネル層23内の2DEG72が枯渇する。 Then, as the PEC etching progresses, the recess 40 deepens. As the recess 40 deepens, the portion of the second barrier layer 24 closer to the substrate 10 than the bottom surface 41 of the recess 40 becomes thinner, and the 2DEG 72 decreases on the substrate 10 side of the bottom surface 41 of the recess 40. When the thickness of this portion reaches a certain thickness, the 2DEG 72 in the second channel layer 23 on the substrate 10 side of the bottom surface 41 of the recess 40 is depleted.
紫外光65は第1バリア層22にも入射するが、第1バンドギャップEg1が紫外光65のエネルギEUVよりも大きいため、第1バリア層22は紫外光65を吸収せず、第1バリア層22内に電子-正孔対は生じない。従って、図9に示すように、第2バリア層24内に電子-正孔対が生じたとしても電子は2DEG71まで移動できない。このため、第2チャネル層23内の2DEG72が枯渇すると、PECエッチングが停止する。従って、PECエッチングによる凹部40の形成の際に、第2チャネル層23、第1バリア層22及び第1チャネル層21はエッチングされず、第1バリア層22の厚さは変化しない。 Although the ultraviolet light 65 is also incident on the first barrier layer 22, the first band gap Eg1 is larger than the energy E UV of the ultraviolet light 65, so the first barrier layer 22 does not absorb the ultraviolet light 65, and no electron-hole pairs are generated in the first barrier layer 22. Therefore, as shown in FIG. 9 , even if electron-hole pairs are generated in the second barrier layer 24, the electrons cannot move to the 2DEG 71. For this reason, when the 2DEG 72 in the second channel layer 23 is depleted, the PEC etching stops. Therefore, when the recess 40 is formed by PEC etching, the second channel layer 23, the first barrier layer 22, and the first channel layer 21 are not etched, and the thickness of the first barrier layer 22 does not change.
このようにして、PECエッチングにより凹部40を形成できる。凹部40の形成に伴い、凹部40の底面41よりも基板10側において、第2チャネル層23から2DEG71が消失する。 In this way, the recess 40 can be formed by PEC etching. As the recess 40 is formed, the 2DEG 71 disappears from the second channel layer 23 on the substrate 10 side of the bottom surface 41 of the recess 40.
凹部40の形成後、図7に示すように、開口50を通じて積層構造20に接触するゲート電極33を形成する。ゲート電極33は、凹部40の底面41及び内壁面42に接触する。絶縁膜60の上の部分を含むようにゲート電極33を形成してもよい。ゲート電極33は、例えば蒸着及びリフトオフにより形成できる。ゲート電極33は、例えばNi膜と、その上のAu膜とを含む。 After forming the recess 40, as shown in FIG. 7, a gate electrode 33 is formed in contact with the stacked structure 20 through the opening 50. The gate electrode 33 contacts the bottom surface 41 and inner wall surface 42 of the recess 40. The gate electrode 33 may be formed to include a portion above the insulating film 60. The gate electrode 33 can be formed by, for example, vapor deposition and lift-off. The gate electrode 33 includes, for example, a Ni film and an Au film thereon.
その後、必要に応じて配線等を形成する。このようにして、第1実施形態に係る半導体装置100を製造できる。 After that, wiring and other elements are formed as needed. In this way, the semiconductor device 100 according to the first embodiment can be manufactured.
第1実施形態では、第2バリア層24の第2バンドギャップEg2が第1バリア層22の第1バンドギャップEg1よりも小さい。このため、PECエッチングの際に、第1バンドギャップEg1よりも小さく、第2バンドギャップEg2よりも大きいエネルギEUVを有する紫外光65を第2バリア層24に照射することで、第1バリア層22の厚さを変化させることなく、凹部40を形成できる。PECエッチングにより凹部40を形成することで、ドライエッチングを行った場合に生じるような積層構造20のダメージを抑制できる。また、PECエッチングによっては第1バリア層22の厚さが変化しないため、第1バリア層22の厚さを調整することで、HEMTの閾値電圧を調整しやすくできる。例えば、ノーマリオン動作するHEMTを構成することも可能である。 In the first embodiment, the second bandgap Eg2 of the second barrier layer 24 is smaller than the first bandgap Eg1 of the first barrier layer 22. Therefore, during PEC etching, the second barrier layer 24 is irradiated with ultraviolet light 65 having an energy E UV smaller than the first bandgap Eg1 but larger than the second bandgap Eg2, thereby forming the recess 40 without changing the thickness of the first barrier layer 22. Forming the recess 40 by PEC etching can suppress damage to the stacked structure 20 that would occur if dry etching were performed. Furthermore, because the thickness of the first barrier layer 22 does not change due to PEC etching, adjusting the thickness of the first barrier layer 22 makes it easier to adjust the threshold voltage of the HEMT. For example, it is also possible to configure a normally-on HEMT.
また、ゲート電極33に電圧が印加されていない時、凹部40の底面41よりも基板10側において、第1チャネル層21内に2DEG71が存在し、第2チャネル層23内に2DEG72が存在しない。このため、ノーマリオン動作を実現できる。 Furthermore, when no voltage is applied to the gate electrode 33, 2DEG 71 exists in the first channel layer 21 on the substrate 10 side of the bottom surface 41 of the recess 40, but 2DEG 72 does not exist in the second channel layer 23. This allows for normally-on operation.
また、開口50の内壁面52の下端が凹部40の内壁面42の上端に連続する。このため、積層構造20と絶縁膜60との界面を2DEG71及び72から離しやすく、寄生抵抗及び電流コラプスを抑制しやすい。 In addition, the lower end of the inner wall surface 52 of the opening 50 is continuous with the upper end of the inner wall surface 42 of the recess 40. This makes it easier to separate the interface between the stacked structure 20 and the insulating film 60 from the 2DEGs 71 and 72, making it easier to suppress parasitic resistance and current collapse.
(第2実施形態)
次に、第2実施形態について説明する。第2実施形態は、主として積層構造20の構成の点で第1実施形態と相違する。図10は、第2実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
Second Embodiment
Next, a second embodiment will be described. The second embodiment differs from the first embodiment mainly in the configuration of the stacked structure 20. Fig. 10 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the second embodiment.
第2実施形態に係る半導体装置200では、図10に示すように、積層構造20に、ソース用の凹部81と、ドレイン用の凹部82とが形成されている。凹部81及び82は第1チャネル層21に達する。凹部81及び82の各底面は第1チャネル層21の上面よりも基板10側にある。凹部81及び82の各底面が第1チャネル層21の上面よりも基板10側に向かって深い位置にある。凹部81は第2凹部の一例であり、凹部82は第3凹部の一例である。 In the semiconductor device 200 according to the second embodiment, as shown in FIG. 10 , a recess 81 for the source and a recess 82 for the drain are formed in the stacked structure 20. The recesses 81 and 82 reach the first channel layer 21. The bottom surfaces of the recesses 81 and 82 are located closer to the substrate 10 than the top surface of the first channel layer 21. The bottom surfaces of the recesses 81 and 82 are located deeper toward the substrate 10 than the top surface of the first channel layer 21. The recess 81 is an example of a second recess, and the recess 82 is an example of a third recess.
積層構造20は、第1チャネル層21、第1バリア層22、第2チャネル層23、第2バリア層24に加えて、凹部81内に設けられたソース領域25と、凹部82内に設けられたドレイン領域26とを有する。ソース領域25及びドレイン領域26のそれぞれの電気抵抗は、第1チャネル層21、第1バリア層22、第2チャネル層23及び第2バリア層24の電気抵抗よりも低い。ソース領域25及びドレイン領域26は、例えばn型GaN層である。 The stacked structure 20 includes a first channel layer 21, a first barrier layer 22, a second channel layer 23, and a second barrier layer 24, as well as a source region 25 provided in a recess 81 and a drain region 26 provided in a recess 82. The electrical resistance of each of the source region 25 and the drain region 26 is lower than the electrical resistance of the first channel layer 21, the first barrier layer 22, the second channel layer 23, and the second barrier layer 24. The source region 25 and the drain region 26 are, for example, n-type GaN layers.
ソース電極31はソース領域25の上に設けられており、ソース領域25に接触する。ドレイン電極32はドレイン領域26の上に設けられており、ドレイン領域26に接触する。 The source electrode 31 is provided on and in contact with the source region 25. The drain electrode 32 is provided on and in contact with the drain region 26.
他の構成は第1実施形態と同様である。 Other configurations are the same as in the first embodiment.
次に、第2実施形態に係る半導体装置200の製造方法について説明する。図11~図12は、第2実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device 200 according to the second embodiment will be described. Figures 11 and 12 are cross-sectional views showing the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment.
まず、第1実施形態と同様にして、第1チャネル層21、第1バリア層22、第2チャネル層23及び第2バリア層24を形成する(図2参照)。次に、図11に示すように、第1チャネル層21、第1バリア層22、第2チャネル層23及び第2バリア層24に、ソース用の凹部81と、ドレイン用の凹部82とを形成する。凹部81及び82の形成では、例えば電子線レジスト(図示せず)をマスクとして、RIEを行う。第1チャネル層21、第1バリア層22、第2チャネル層23及び第2バリア層24のエッチングには塩素(Cl)を含む反応性ガスが用いられる。凹部81及び82の形成後、マスクを除去する。 First, similarly to the first embodiment, the first channel layer 21, first barrier layer 22, second channel layer 23, and second barrier layer 24 are formed (see FIG. 2). Next, as shown in FIG. 11, a source recess 81 and a drain recess 82 are formed in the first channel layer 21, first barrier layer 22, second channel layer 23, and second barrier layer 24. To form the recesses 81 and 82, for example, RIE is performed using an electron beam resist (not shown) as a mask. A reactive gas containing chlorine (Cl) is used to etch the first channel layer 21, first barrier layer 22, second channel layer 23, and second barrier layer 24. After the recesses 81 and 82 are formed, the mask is removed.
次に、図12に示すように、凹部81内にソース領域25を形成し、凹部82内にドレイン領域26を形成する。ソース領域25及びドレイン領域26としては、例えばn型GaN層を形成する。n型GaN層は、例えば、スパッタ法、MOCVD法又は分子線エピタキシー(molecular beam epitaxy:MBE)法等により形成できる。このようにして、積層構造20が形成される。 Next, as shown in FIG. 12, a source region 25 is formed in the recess 81, and a drain region 26 is formed in the recess 82. For example, an n-type GaN layer is formed as the source region 25 and the drain region 26. The n-type GaN layer can be formed by, for example, sputtering, MOCVD, or molecular beam epitaxy (MBE). In this way, the stacked structure 20 is formed.
積層構造20の形成後、第1実施形態と同様にして、絶縁膜60の形成(図3参照)以降の処理を行う。 After the layered structure 20 is formed, the processes following the formation of the insulating film 60 (see Figure 3) are carried out in the same manner as in the first embodiment.
このようにして、第2実施形態に係る半導体装置200を製造できる。 In this manner, the semiconductor device 200 according to the second embodiment can be manufactured.
第2実施形態によっても第1実施形態と同様の効果が得られる。また、第2実施形態では、積層構造20がソース領域25及びドレイン領域26を有する。このため、ソース電極31と2DEG71との間の電気抵抗及びドレイン電極32と2DEG71との間の電気抵抗を第1実施形態よりも低減できる。また、ソース電極31と2DEG72との間の電気抵抗及びドレイン電極32と2DEG72との間の電気抵抗も第1実施形態よりも低減できる。つまり、ソース電極31とドレイン電極32との間の電気抵抗を低減できる。 The second embodiment also achieves the same effects as the first embodiment. Furthermore, in the second embodiment, the stacked structure 20 has a source region 25 and a drain region 26. Therefore, the electrical resistance between the source electrode 31 and the 2DEG 71 and the electrical resistance between the drain electrode 32 and the 2DEG 71 can be reduced compared to the first embodiment. Furthermore, the electrical resistance between the source electrode 31 and the 2DEG 72 and the electrical resistance between the drain electrode 32 and the 2DEG 72 can also be reduced compared to the first embodiment. In other words, the electrical resistance between the source electrode 31 and the drain electrode 32 can be reduced.
(第3実施形態)
次に、第3実施形態について説明する。第3実施形態は、主として第2バリア層24の凹部40の構成の点で第1実施形態と相違する。図13は、第3実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described. The third embodiment differs from the first embodiment mainly in the configuration of the recess 40 in the second barrier layer 24. Fig. 13 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the third embodiment.
第3実施形態に係る半導体装置300では、図13に示すように、凹部40が第1実施形態よりも広く形成されている。また、絶縁膜60は、凹部40の底面41の上にも形成されている。そして、開口50は凹部40の内側に形成されている。このため、凹部40の内壁面42が開口50の内壁面52よりも外側にある。言い換えると、開口50の内壁面52が凹部40の内壁面42の内側にある。 In the semiconductor device 300 according to the third embodiment, as shown in FIG. 13, the recess 40 is formed wider than in the first embodiment. The insulating film 60 is also formed on the bottom surface 41 of the recess 40. The opening 50 is formed inside the recess 40. Therefore, the inner wall surface 42 of the recess 40 is located outside the inner wall surface 52 of the opening 50. In other words, the inner wall surface 52 of the opening 50 is located inside the inner wall surface 42 of the recess 40.
ゲート電極33は、開口50を通じて積層構造20に接触する。ゲート電極33は、凹部40の底面41に接触するが、第1実施形態とは異なり、凹部40の内壁面42には接触しない。ゲート電極33は、例えば断面視でTの字型の形状を備え、絶縁膜60上の部分を含む。 The gate electrode 33 contacts the stacked structure 20 through the opening 50. The gate electrode 33 contacts the bottom surface 41 of the recess 40, but unlike the first embodiment, it does not contact the inner wall surface 42 of the recess 40. The gate electrode 33 has, for example, a T-shape in cross section, and includes a portion on the insulating film 60.
他の構成は第1実施形態と同様である。 Other configurations are the same as in the first embodiment.
次に、第3実施形態に係る半導体装置300の製造方法について説明する。図14~図17は、第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 Next, a method for manufacturing a semiconductor device 300 according to the third embodiment will be described. Figures 14 to 17 are cross-sectional views showing the method for manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment.
まず、第1実施形態と同様にして、積層構造20を形成する(図2参照)。次に、図14に示すように、積層構造20の上にソース電極31及びドレイン電極32を形成する。 First, similar to the first embodiment, the laminated structure 20 is formed (see FIG. 2). Next, as shown in FIG. 14, the source electrode 31 and the drain electrode 32 are formed on the laminated structure 20.
次に、形成しようとする凹部40に対応する開口が形成されたマスク(図示せず)を用いながら、図15に示すように、PECエッチングにより第2バリア層24に凹部40を形成する。マスクは、例えばフォトレジストマスクである。凹部40の形成後、マスクを除去する。凹部40の形成に伴い、凹部40の底面41よりも基板10側において、第2チャネル層23から2DEG71が消失する。 Next, as shown in FIG. 15 , a mask (not shown) having an opening corresponding to the recess 40 to be formed is used to form the recess 40 in the second barrier layer 24 by PEC etching. The mask is, for example, a photoresist mask. After the recess 40 is formed, the mask is removed. As the recess 40 is formed, the 2DEG 71 disappears from the second channel layer 23 on the substrate 10 side of the bottom surface 41 of the recess 40.
次に、図16に示すように、積層構造20の上に絶縁膜60を形成する。また、絶縁膜60にゲート用の開口50を形成する。絶縁膜60は、ソース電極31及びドレイン電極32を覆うように形成してもよい。 Next, as shown in FIG. 16, an insulating film 60 is formed on the stacked structure 20. An opening 50 for a gate is also formed in the insulating film 60. The insulating film 60 may be formed to cover the source electrode 31 and the drain electrode 32.
次に、図17に示すように、ゲート電極33を形成する。ゲート電極33は、凹部40の底面41に接触する。絶縁膜60の上の部分を含むようにゲート電極33を形成してもよい。 Next, as shown in FIG. 17, the gate electrode 33 is formed. The gate electrode 33 contacts the bottom surface 41 of the recess 40. The gate electrode 33 may be formed so as to include the upper portion of the insulating film 60.
その後、必要に応じて配線等を形成する。このようにして、第3実施形態に係る半導体装置300を製造できる。 After that, wiring and other elements are formed as needed. In this way, the semiconductor device 300 according to the third embodiment can be manufactured.
第3実施形態によっても第1実施形態と同様の効果が得られる。また、第3実施形態では、開口50の内壁面52が凹部40の内壁面42の内側にあり、ゲート電極33が凹部40の内壁面42に接触していない。このため、ゲート電極33の周囲の寄生容量を低減しやすい。 The third embodiment also achieves the same effects as the first embodiment. Furthermore, in the third embodiment, the inner wall surface 52 of the opening 50 is located inside the inner wall surface 42 of the recess 40, and the gate electrode 33 does not contact the inner wall surface 42 of the recess 40. This makes it easier to reduce the parasitic capacitance around the gate electrode 33.
(第4実施形態)
次に、第4実施形態について説明する。第4実施形態は、主として積層構造20の構成の点で第3実施形態と相違する。図18は、第4実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described. The fourth embodiment differs from the third embodiment mainly in the configuration of the stacked structure 20. Fig. 18 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the fourth embodiment.
第4実施形態に係る半導体装置400では、図18に示すように、積層構造20に、ソース用の凹部81と、ドレイン用の凹部82とが形成されている。積層構造20は、第1チャネル層21、第1バリア層22、第2チャネル層23、第2バリア層24に加えて、凹部81内に設けられたソース領域25と、凹部82内に設けられたドレイン領域26とを有する。 In the semiconductor device 400 according to the fourth embodiment, as shown in FIG. 18 , a recess 81 for the source and a recess 82 for the drain are formed in the stacked layer structure 20. In addition to a first channel layer 21, a first barrier layer 22, a second channel layer 23, and a second barrier layer 24, the stacked layer structure 20 also has a source region 25 provided in the recess 81 and a drain region 26 provided in the recess 82.
他の構成は第3実施形態と同様である。このように、第4実施形態は、第2実施形態と第3実施形態とを組み合わせた構成を備える。 Other configurations are the same as those of the third embodiment. In this way, the fourth embodiment has a configuration that combines the second and third embodiments.
第4実施形態に係る半導体装置400を製造する際には、例えば、第2実施形態と同様にして積層構造20を形成し、その後、第3実施形態と同様の処理を行う。 When manufacturing the semiconductor device 400 according to the fourth embodiment, for example, the stacked structure 20 is formed in the same manner as in the second embodiment, and then the same processing as in the third embodiment is performed.
第4実施形態によれば、第2実施形態と同様の効果と第4実施形態と同様の効果が得られる。 The fourth embodiment provides the same effects as the second embodiment and the fourth embodiment.
なお、第1バリア層22の第1バンドギャップEg1が、第2バリア層24の第2バンドギャップEg2よりも大きければ、第1バリア層22及び第2バリア層24の材料はAlGaNに限定されない。例えば第1バリア層22の材料がAlN、InAlN又はInAlGaNであってもよい。また、第1バリア層22及び第2バリア層24がアンドープの層であってもよい。 Note that, as long as the first band gap Eg1 of the first barrier layer 22 is larger than the second band gap Eg2 of the second barrier layer 24, the material of the first barrier layer 22 and the second barrier layer 24 is not limited to AlGaN. For example, the material of the first barrier layer 22 may be AlN, InAlN, or InAlGaN. Furthermore, the first barrier layer 22 and the second barrier layer 24 may be undoped layers.
以上、実施形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。 Although the embodiments have been described in detail above, they are not limited to specific embodiments, and various modifications and variations are possible within the scope of the claims.
10:基板
20:積層構造
21:第1チャネル層
22:第1バリア層
23:第2チャネル層
24:第2バリア層
25:ソース領域
26:ドレイン領域
31:ソース電極
32:ドレイン電極
33:ゲート電極
40:凹部
41:底面
42:内壁面
50:開口
52:内壁面
60:絶縁膜
61、62:開口
65:紫外光
71、72:2DEG
81、82:凹部
100、200、300、400:半導体装置
10: Substrate 20: Laminated structure 21: First channel layer 22: First barrier layer 23: Second channel layer 24: Second barrier layer 25: Source region 26: Drain region 31: Source electrode 32: Drain electrode 33: Gate electrode 40: Recess 41: Bottom surface 42: Inner wall surface 50: Opening 52: Inner wall surface 60: Insulating film 61, 62: Opening 65: Ultraviolet light 71, 72: 2DEG
81, 82: Recessed portion 100, 200, 300, 400: Semiconductor device
Claims (6)
前記基板の上に設けられた半導体層と、
前記半導体層にオーミック接触するソース電極及びドレイン電極と、
前記半導体層の前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の部分を覆い、開口が形成された絶縁膜と、
前記開口を通じて前記半導体層に接触するゲート電極と、
を有し、
前記半導体層は、
第1チャネル層と、
前記第1チャネル層の上に設けられ、第1バンドギャップを備えた第1バリア層と、
前記第1バリア層の上に設けられた第2チャネル層と、
前記第2チャネル層の上に設けられ、前記第1バンドギャップよりも小さい第2バンドギャップを備えた第2バリア層と、
を有し、
前記第2バリア層に第1凹部が形成されており、
前記ゲート電極は、前記開口を通じて前記第1凹部の底面に接触し、
前記ゲート電極に電圧が印加されていない時、前記第1凹部の前記底面よりも前記基板側において、
前記第1チャネル層内に2次元電子ガスが存在し、
前記第2チャネル層内に2元電子ガスが存在しない半導体装置。 A substrate;
a semiconductor layer provided on the substrate;
a source electrode and a drain electrode in ohmic contact with the semiconductor layer;
an insulating film covering a portion of the semiconductor layer between the source electrode and the drain electrode and having an opening;
a gate electrode contacting the semiconductor layer through the opening;
and
The semiconductor layer is
a first channel layer;
a first barrier layer disposed on the first channel layer and having a first bandgap;
a second channel layer provided on the first barrier layer;
a second barrier layer overlying the second channel layer and having a second bandgap smaller than the first bandgap;
and
a first recess formed in the second barrier layer;
the gate electrode contacts a bottom surface of the first recess through the opening ;
When no voltage is applied to the gate electrode, on the substrate side of the bottom surface of the first recess,
a two-dimensional electron gas exists in the first channel layer;
A semiconductor device in which no binary electron gas exists in the second channel layer .
前記第2バリア層は、前記第1濃度よりも低い第2濃度でAlを含有する第2窒化物半導体層である請求項1に記載の半導体装置。 the first barrier layer is a first nitride semiconductor layer containing Al at a first concentration;
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the second barrier layer is a second nitride semiconductor layer containing Al at a second concentration lower than the first concentration.
前記第2凹部及び前記第3凹部は前記第1チャネル層に達し、
前記半導体層は、
前記第2凹部内に形成され、前記第1チャネル層、前記第1バリア層、前記第2チャネル層及び前記第2バリア層よりも電気抵抗が低いソース領域と、
前記第3凹部内に形成され、前記第1チャネル層、前記第1バリア層、前記第2チャネル層及び前記第2バリア層よりも電気抵抗が低いドレイン領域と、
を有し、
前記ソース電極は前記ソース領域に接触し、
前記ドレイン電極は前記ドレイン領域に接触する請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の半導体装置。 a second recess is formed in the semiconductor layer on the substrate side of the source electrode, and a third recess is formed on the substrate side of the drain electrode;
the second recess and the third recess reach the first channel layer,
The semiconductor layer is
a source region formed in the second recess and having an electrical resistance lower than that of the first channel layer, the first barrier layer, the second channel layer, and the second barrier layer;
a drain region formed in the third recess and having an electrical resistance lower than that of the first channel layer, the first barrier layer, the second channel layer, and the second barrier layer;
and
the source electrode contacts the source region;
5. The semiconductor device according to claim 1 , wherein the drain electrode is in contact with the drain region.
前記半導体層にオーミック接触するソース電極及びドレイン電極を形成する工程と、
前記半導体層の前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の部分を覆う絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に開口を形成する工程と、
前記開口を通じて前記半導体層に接触するゲート電極を形成する工程と、
を有し、
前記半導体層を形成する工程は、
第1チャネル層を形成する工程と、
前記第1チャネル層の上に第1バンドギャップを備えた第1バリア層を形成する工程と、
前記第1バリア層の上に第2チャネル層を形成する工程と、
前記第2チャネル層の上に前記第1バンドギャップよりも小さい第2バンドギャップを備えた第2バリア層を形成する工程と、
前記第1バンドギャップよりも小さく、前記第2バンドギャップよりも大きいエネルギを有する光を前記半導体層に照射しながら、光電気化学エッチングにより前記第2バリア層に第1凹部を形成する工程と、
を有し、
前記ゲート電極は、前記開口を通じて前記第1凹部の底面に接触するように形成される半導体装置の製造方法。 forming a semiconductor layer on a substrate;
forming a source electrode and a drain electrode in ohmic contact with the semiconductor layer;
forming an insulating film covering a portion of the semiconductor layer between the source electrode and the drain electrode;
forming an opening in the insulating film;
forming a gate electrode in contact with the semiconductor layer through the opening;
and
The step of forming the semiconductor layer includes:
forming a first channel layer;
forming a first barrier layer over the first channel layer, the first barrier layer having a first bandgap;
forming a second channel layer on the first barrier layer;
forming a second barrier layer over the second channel layer, the second barrier layer having a second bandgap smaller than the first bandgap;
forming a first recess in the second barrier layer by photoelectrochemical etching while irradiating the semiconductor layer with light having energy smaller than the first band gap and larger than the second band gap;
and
The method for manufacturing a semiconductor device includes forming the gate electrode so as to contact the bottom surface of the first recess through the opening.
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